一种针对半球覆盖波束成形的阵列设计方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，主要是涉及面是针对特殊阵列的半球型覆盖波束成形技术。

背景技术：

阵列对信号进行处理在现代通信中具有很好的应用前景，并且在近些年中得到了迅猛的发展。随着人们对通信系统的容量和质量的不断提出更高的标准，普通的通讯天线已经不能完全满足越来越高的性能指标要求。因此，这就要求我们有必要采取一些技术手段和方法将天线其他的潜能全部发掘，从而形成满足现代通信需求的天线系统。那么为了满足现代通信系统对容量和质量不断提高的要求，阵列天线的设计也就成为了一种流行的方法。由于通讯需求的不同，那么就需要不同形状的阵列结构来满足不同的波束覆盖形式。我们知道圆锥或圆环阵等共形阵具有360方位角度的覆盖能力，它们可以形成一个全向的波束、多个波束或是一个窄波束并且都可以被导向360方位角度。并且能实现半球覆盖阵列天线系统在移动通信基站天线的应用中将日益凸显它的魅力。另外，一些通信卫星也开始采用共形阵作为天线。

其次我们也可以通过利用阵列天线对非合作的机构的照射源来进行探测和追踪，同时由于无源定位目标在技术上具有隐蔽性、反隐身和低空探测性能方面的较强优势，那么通过该技术就可以探测到具有更小雷达散射截面(RCS)的目标，并且因为该系统体积小，产生费用低，所以近年来受到广泛的关注。

自适应阵列技术的主要工作就是为了得到理想的阵列方向图。阵列方向图综合方法大致可分为两类：传统的阵列综合方法和智能天线算法综合方法。直线阵列是一种比较简单并且是已经有着极为成熟的天线阵列综合方法的天线阵列形式。一般来说，在阵元数及阵元间距确定的情况下，通过对幅度相位权值的求解来实现方向图的综合的方法对于均匀线阵来说是主要的研究问题。此外还有对于非均匀线阵方向图综合问题的研究问题是可以通过对阵列稀疏和稀布问题的研究来加以解决的。比如窗函数法、Chebychev综合方法，Taylor综合方法，Woodward方法，根匹配综合法，伯恩斯坦多项式逼近综合法等。窗函数加权法是利用傅里叶变换的性质来控制旁瓣电平幅度大小。Chebychev综合方法是Dolph等基于Chebychev多项式的性质提出的。在Dolph的工作中，他说明了Chebychev多项式的最优性。在这里，最优的阵列方向图是指具有在给定旁瓣电平的最小零点-零点波束宽度。随后Riblet给出了Riblet-Chebychev加权的方法。而Riblet-Chebychev加权的方法在阵元间距小于半个信号波长时可以获得具有更小的波束宽度的阵列方向图。两者的相同点是其阵列方向图的旁瓣电平均是相同的。然而很多应用当中，我们并不希望阵列辐射能量浪费在感兴趣区域的边缘或感兴趣区域之外的区域，因此希望旁瓣电平是衰减的。在1953年，Taylor提出了一种技术，可以约束最大的旁瓣电平，并使外旁瓣逐渐衰减。这个技术最先是针对线性孔径提出的，可以利用孔径加权采样或根值匹配的方法将其应用于线性阵列上。1984年，Villeneuve开发了一个用于离散阵列的技术。这一技术将均匀加权和Chebychev加权进行了很好的组合。无论是Taylor加权还是Villeneuve加权，只有在阵元数较大时，才有明显的效果。Woodward方法是基于在波束响应和孔径加权之间的傅里叶变换的关系得到的。当阵列方向图已知时，可以根据此方法通过采样来得到对应的幅度权值。利用最小二乘来逼近理想方向图的方法也可以在已知阵列方向图的情况下得到对应的阵元激励值。当理想的阵列方向图的主波束为平顶时，使用最小二乘方法会在不连续的地方有上冲振荡的情况，可以通过加窗锐化来减轻振荡。Parks和Mc-Clellan通过将最大最小设计问题转换成多项式逼近问题的方法研究了关于最大最小数字滤波器的设计问题，其内容非常通用，通过交替定理得到了最终较理想的结果，这种方法也完全可以用在天线阵列的综合上。所谓根匹配综合法是指根据预期方向图的零点求出个单元激励幅度的方法，实质上就是我们已经了解的谢坤诺夫单位元方法。它与伍德沃德-劳森抽样综合法类似，也是直接从指定的预期方向图上抽样综合线阵的各单元激励系数，而不是从综合所得的连续线源分布上抽样获得的离散化的激励系数。伯恩斯坦多项式逼近综合方法可以自动满足可实现条件，因而不需要对结果进行修正。

对于阵列来说，1936年Chireix分析研究了一个由偶极子作为单元排列成的圆环阵列，之后又相继发表了一些关于这个课题的研究性文章。之所以这个圆环阵列会受到如此广泛的关注，其原因是这个结构是旋转对称的，通过控制相位，进而可以产生一个具有360度扫描角的定向辐射。全向单元组成的空间曲面阵，在形式上和共形圆环阵是相似的，因此，在研究中，通常把这种空间曲面圆环阵也归属于共形阵列。

在卫星通信以及航空航天系统中，大多数飞行器一般是锥体结构，因此，要广泛地应用到锥面共形阵列天线

相控阵的半球面圆极化扫描在雷达应用领域非常重要，而球面阵列能够满足大角度范围扫描。并且，球面阵列可以方便地在不同卫星间实现数据通信。通常常见的球面共形微带阵列是球面矩形微带天线阵、球面圆形微带天线阵和球面圆环微带天线阵。

相控阵天线技术由于具有灵活的波束对准和跟踪能力广泛应用于通信和雷达，而波束成形是阵列信号处理中的关键技术，其主要目的为：抑制空间干扰与环境噪声，提高信噪比；形成基阵接收系统的方向性，进行空域滤波；另外也可以用来估计信号来波方向(Direction-of-arrival,DOA)或为其估计提供预处理等。数字波束成形的实质是一个空间滤波器，其加权值决定了其空间滤波的特性。

技术实现要素：

为了克服传统均匀圆阵在俯仰角方向的角度模糊现象和满足我们对波束成形的需求，本发明提出了一种针对半球覆盖波束成形的阵列设计方法，将原来固定为竖直的阵元沿半径方向倾斜、使波束成形的方向图在倾斜角上不产生角度模糊。

为了方便地描述本发明的内容，首先对本发明中所使用的概念和术语进行定义：

俯仰角：入射方向与阵元所在平面的夹角的余角。

一种针对半球覆盖波束成形的阵列设计方法，具体为：

由24个6元子阵组成锥台共形阵，天线在水平面360度范围内全向覆盖，在俯仰角0°-62.3°范围内覆盖。

本发明的有益效果是：

在进行通信的过程中实现低成本，准确的半球型覆盖波束成形，并且满足了系统的性能需求，又远比平面阵或曲面等共形相控阵结构简单，具有创新性。

附图说明

图1为天线增益极坐标与直角坐标图。

图2为阵列摆放规则。

图3为改进后波束成形针对俯仰角的直角坐标图。

图4为本发明采用的阵元。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，详细说明本发明的技术方案。

对采集的信号进行DOA估计，用估计的方向对每个阵元的权值进行计算得到相应数值，再通过该阵列对信号进行波束成形，产生符合条件的信号。

主要技术指标：

工作频点：4400MHz～5000MHz；

带宽：50MHz；

双工方式：TDD；

天线总覆盖：水平360°，垂直-10°到+90°；

天线增益：单倍；

极化方式：右旋圆极化；

轴比：波束内≤3dB；

3dB波瓣宽度：≤30°；

旁瓣抑制：≥15dB；

阵元数目：≤25个；

邻居发现时间：≤100ms

波束对准时间：≤5μs。

最大节点数量：16节点。